復(fù)合頂板窄煤柱沿空掘巷技術(shù)探討

陳淼明，王 永，陳 志，王洪明

（湖南科技大學(xué) 煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201）

復(fù)合頂板窄煤柱沿空掘巷技術(shù)探討

陳淼明，王 永，陳 志，王洪明

（湖南科技大學(xué) 煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201）

闡述了窄煤柱沿空掘巷實(shí)質(zhì)；依據(jù)某礦雙巷掘進(jìn)的實(shí)際情況,采用巖層控制理論和數(shù)值模擬等方法,對(duì)某礦復(fù)合頂板巷道沿空掘巷技術(shù)進(jìn)行探討；對(duì)窄煤柱沿空掘巷的可行性和煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；依據(jù)不同寬度的窄煤柱與巷道圍巖變形量的關(guān)系,確定了合理的窄煤柱寬度。研究結(jié)果表明，窄煤柱沿空掘巷的關(guān)鍵是煤柱寬度的合理確定.隨著煤柱寬度的加大,頂?shù)装逦灰屏繙p小,圍巖整體變形量呈減小趨勢(shì),結(jié)合極限平衡理論計(jì)算,最終確定窄煤柱的合理寬度為6m。

復(fù)合頂板；窄煤柱；沿空掘巷；錨桿支護(hù)；數(shù)值模擬

某礦28111風(fēng)巷埋深約170m，巷道所在煤層傾角5°～15°，平均6.5°，為近水平煤層，采厚2.2 m。28111風(fēng)巷與相鄰的2811工作面運(yùn)巷之間留有12m寬的煤柱。鑒于煤炭資源緊張，大寬度煤柱不利于提高采出率、浪費(fèi)了寶貴煤炭資源。且該礦開(kāi)采深度不足200 m，礦山壓力并不大，完全可以嘗試窄煤柱沿空掘巷，甚至是無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)。本文運(yùn)用巖層控制理論，借助工程力學(xué)和數(shù)值模擬等工具，對(duì)該礦復(fù)合頂板巷道沿空掘巷技術(shù)進(jìn)行探討，對(duì)窄煤柱沿空掘巷的可行性和煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，為該礦嘗試窄煤柱沿空掘巷技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 窄煤柱沿空掘巷理論分析

1.1 沿空掘巷實(shí)質(zhì)

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)沿空掘巷開(kāi)展了大量的研究工作[1-5]，推動(dòng)了沿空掘巷技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的推廣，傳統(tǒng)采掘體系中為回采工作面留設(shè)大煤柱的做法，正在逐漸被窄煤柱沿空掘巷所取代。窄煤柱沿空掘巷的實(shí)質(zhì)[6]是：沿上工作面采空區(qū)邊緣留窄煤柱(1m～6m)掘進(jìn)巷道。其圍巖控制的中心思想基于“巷道布置在采空區(qū)側(cè)的低應(yīng)力區(qū)，同時(shí)窄煤柱有一定的自承能力”。研究得到沿空掘巷窄煤柱留設(shè)的一般原則[5]：將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，煤柱應(yīng)盡可能窄，保證采出率高；窄煤柱內(nèi)部無(wú)明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)有穩(wěn)定的區(qū)域。

1.2 煤柱寬度理論計(jì)算

窄煤柱沿空掘巷的關(guān)鍵是煤柱寬度的合理確定。為減小巷道圍巖變形、保證巷道穩(wěn)定、并減少煤炭資源損失，煤柱寬度應(yīng)盡可能小一些。然而因窄煤柱兩側(cè)存在破碎區(qū)，且受下一個(gè)工作面采動(dòng)影響，煤柱兩側(cè)的破碎區(qū)向煤柱中心發(fā)展，窄煤柱產(chǎn)生很大的塑性變形。如果煤柱過(guò)窄，煤柱中心將均為破碎區(qū)和塑性區(qū)，沒(méi)有穩(wěn)定的區(qū)域。其穩(wěn)定性和承載能力極低，使幫錨桿安設(shè)在破碎圍巖中，錨桿無(wú)著力基礎(chǔ)，錨固力減弱，嚴(yán)重影響巷道支護(hù)效果。如果煤柱過(guò)寬，既不利于減小煤炭資源損失，又容易形成應(yīng)力集中，影響巷道圍巖的穩(wěn)定。因此，煤柱必須有一個(gè)合理的寬度，使沿空掘巷處于應(yīng)力降低區(qū)，既能保證巷道支護(hù)體載荷小，又能保證巷道圍巖變形量較小，還可減少煤炭資源損失[6-9]。

通過(guò)極限平衡理論研究認(rèn)為， 合理的最小煤柱寬度B為[6]:

式中：x1為因上區(qū)段工作面開(kāi)采而在下區(qū)段沿空掘巷窄煤柱中產(chǎn)生的破碎區(qū)，其寬度按式（2）[10]計(jì)算；x2為巷道窄煤柱一幫錨桿有效長(zhǎng)度,再增加15%的富裕系數(shù)，m；x3為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù),按0.2(x1+x2)計(jì)算。

式中：m為上下區(qū)段平巷高度，m；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/（1-μ）；μ為泊松比；φ0為煤體的內(nèi)摩擦角°；C0為為煤體的粘聚力，MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)，3左右；γ為巖層平均容重，kN/m；H為巷道埋藏深度，m；Px對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，如上區(qū)段采空區(qū)側(cè)支護(hù)已拆除，可取Px=0。

將各參數(shù) x2=2 m，m=2 m，A=0.25，φ0=35°，C0=17.24 MPa，k=2.5，γ=25 kN/m，H=170 m，Px取為0，代入上式求得B=5.36m。

1.3 A.H.Wilson理論檢驗(yàn)[11]

英國(guó)A.H.Wilson通過(guò)對(duì)煤柱加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤柱的應(yīng)力是隨著加載而變化的.從煤柱邊界到煤柱應(yīng)力峰值這一區(qū)段，煤體應(yīng)力已超過(guò)屈服點(diǎn)，并向采空區(qū)有一定量流動(dòng)，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為屈服區(qū)。試驗(yàn)表明，屈服區(qū)寬度Y與開(kāi)采深度H、開(kāi)采厚度m有下列關(guān)系式

式中：Y為屈服區(qū)寬度，m；H為開(kāi)采深度，m；m為開(kāi)采厚度，m。

窄煤柱寬度a應(yīng)滿足以下關(guān)系：a≥2Y+S.

式中：S為煤柱區(qū)域?qū)挾?，取S=2 m；則有：a≥2Y+ S=2（0.005×2×170）+2=5.4m。

運(yùn)用A.H.Wilson理論檢驗(yàn)的與極限平衡理論計(jì)算的煤柱寬度基本一致，實(shí)際選取護(hù)巷窄煤柱寬度6m。

1.4 Flac數(shù)值模擬分析

相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬可以考慮更多的影響因素，并經(jīng)對(duì)比分析可得較優(yōu)方案。利用美國(guó)Itasca公司的有限差分軟件FLAC—2D5.0對(duì)某礦28111風(fēng)巷不同窄煤柱(1 m～8 m)寬度時(shí)，巷道圍巖變形量進(jìn)行了分析。模擬中所用煤巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。圖1是按某礦28111風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際現(xiàn)有支護(hù)方案，建立的數(shù)值模擬模型。計(jì)算中分別選取窄煤柱寬度為3 m、4 m、5 m、6 m、8 m五個(gè)方案，對(duì)巷道在掘進(jìn)后的實(shí)體煤幫、窄煤柱幫、頂板下沉、底臌量進(jìn)行研究，圖2是巷道圍巖變形量對(duì)比圖。

由圖2知，隨著煤柱寬度的加大，巷道頂?shù)装?、煤幫變形量均有所減小，圍巖整體變形量呈減小趨勢(shì)。窄煤柱一側(cè)圍巖變形基本大于實(shí)體煤一側(cè)。當(dāng)煤柱寬度由3m增到5m的過(guò)程中，巷道圍巖變形速率較大；當(dāng)煤柱寬度在5 m～6 m之間變化時(shí)，巷道圍巖變形速率減小，圍巖變形量沒(méi)有太大差別；當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)增大，圍巖變形量進(jìn)一步減小，巷道穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。

圖3為28111風(fēng)巷不同煤柱寬度下的豎直方向位移對(duì)比圖。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬模型示意圖

圖2 28111風(fēng)巷掘出后圍巖變形量

圖3 Y方向位移等高線對(duì)比圖

從圖3可知，當(dāng)煤柱寬度只有3m時(shí)，頂?shù)装逦灰屏亢艽?，煤柱沒(méi)有穩(wěn)定的區(qū)域；當(dāng)煤柱寬度增加到4m的候，頂?shù)装逦灰屏坑兴鶞p小，煤柱依然沒(méi)有穩(wěn)定的區(qū)域；當(dāng)煤柱寬度增到5 m和6 m時(shí)，頂?shù)装逦灰屏棵黠@減小，煤柱出現(xiàn)穩(wěn)定的區(qū)域且區(qū)域范圍隨著煤柱寬度的增加而增大；當(dāng)煤柱寬度增到8 m時(shí)，頂?shù)装逦灰屏窟M(jìn)一步減小，煤柱區(qū)域增大，但這些變化不是很明顯，考慮到煤炭資源的損失，所以煤柱寬度應(yīng)以5m～6m為宜，這與理論計(jì)算的煤柱寬度也相符。因此，結(jié)合理論計(jì)算與數(shù)值模擬分析結(jié)果，同時(shí)考慮采空區(qū)漏風(fēng)與積水問(wèn)題，選取窄煤柱寬度為6m。

2 結(jié)論

1）窄煤柱沿空掘巷的關(guān)鍵是煤柱寬度的合理確定。合理的煤柱寬度不僅可以提高煤炭資源的采出率，還可降低巷道維護(hù)難度、改善巷道維護(hù)狀況。2）不同開(kāi)采深度和采高下的沿空巷道，其護(hù)巷煤柱的屈服區(qū)范圍不同，運(yùn)用A.H.Wilson理論可以計(jì)算屈服區(qū)的范圍。3）計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬可完成因現(xiàn)場(chǎng)條件制約而無(wú)法實(shí)施的工作，且可分別模擬各種因素對(duì)護(hù)巷煤柱的影響，為確定煤柱合理寬度起到了很好的輔助和驗(yàn)證作用。4）數(shù)值模擬分析表明，隨著煤柱寬度的加大，頂?shù)装逦灰屏繙p小，圍巖整體變形量呈減小趨勢(shì)，結(jié)合極限平衡理論計(jì)算，最終確定窄煤柱的合理寬度為6m。

[1]侯朝炯,李學(xué)華.綜放沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原理[J].煤炭學(xué)報(bào),2001,26(1):1-7.

[2]陳炎光,陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[3]柏建彪，王衛(wèi)軍，侯朝炯，等.綜放沿空掘巷圍巖控制機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，25(5):478-481.

[4]Whittaker B N.Design and Stability of Pillar in Longwall Mining[J].Mining Engineer，1979，13:68-72.

[5]柏建彪.沿空掘巷圍巖控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[6]李學(xué)華，姚強(qiáng)嶺，丁效雷.窄煤柱沿空掘巷圍巖穩(wěn)定原理與技術(shù)[J].煤炭支護(hù)，2008(2):1-9.

[7]于洋，柏建彪，陳科，等.綜采工作面沿空掘巷窄煤柱合理寬度設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].煤炭工程，2010(7):6-9.

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[9]陳科，柏建彪，朱琪.沿空掘巷小煤柱破壞規(guī)律及合理寬度的確定[J].煤礦安全，2009(8):100-102.

[10]李學(xué)華，張農(nóng)，候朝炯.綜采放頂煤面沿空掘巷合理位置確定[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(2):186-188.

[11]李揚(yáng)飛，張彥賓，韋乖強(qiáng).東馬駒村下條帶開(kāi)采的采留寬度分析[J].能源技術(shù)與管理，2007(6):16-18.

Discussion on Driving along Goaf with Complex Roof and Narrow Coal Pillar

CHEN Miao-ming,WANG Yong,CHEN Zhi,WANG Hong-ming
(State Key Laboratory of Safety Mining Technology,Hunan University of Technology,Xiangtan Hunan411201)

The paper presents narrow coal pillars in driving along goaf.According to the real situation of double roadways driving in one mine,on the basis of strata control theory and numerical simulation,the driving along goaf technology is discussed.The feasibility and stability of the pillars are studied:based on the relation between the pillar's width and surrounding rocks'deformation,the reasonable width is determined.The findings show that the key to driving along goal with narrow pillars is the pillars'width.With the increase of the width,the roof displacement and the surrounding rock deformation decrease.Finally,the reasonable width is determined to be6m.

complex roof;narrow coal pillar;driving along goaf;bolt support;numerical simulation

TD322；TD263

A

1672-5050（2011）06-0022-03

2011-03-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50874042）；湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（S090101）資助。

陳淼明（1986—），男，廣西岑溪人，碩士研究生，從事礦山巷道圍巖控制工作。

劉新光